电器学夏天伟丁明道编著课后习题解答1.1电器中有哪些热源？它们各有什么特点？答：电器中的载流系统通过直流时，载流导体中损耗的能量便是 电器的唯一热源。 通过交流时，热源包括：导体通过电流时的能 量损耗、非载流铁磁质零部件的损耗（铁损包括涡流损耗和磁滞 损耗）、电介质损耗。交变电流导致铜损增大，这是电流在到体内 分布不均匀所致。集肤效应和邻近效应会带来附加损耗。铁损只 在交变电流下才会出现。电介质损耗：介质损耗角与绝缘材料的品种、规格、温度、环境 状况及处理工艺有关。1.2散热方式有几种？各有什么特点？答：热传导、对流、热辐射。热传导是借助分子热运动实现的，是固态物质传热的主要方式。对流总是与热传导并存，只是对流在直接毗邻发热体表面处才具 有较大意义。热辐射具有二重性：将热能转换为辐射能，再将辐 射能转换为热能，可以穿越真空传输能量。1.3为什么决定电器零部件工作性能的是其温度，而考核质量的指 标确却是其温升？答：电器运行场所的环境温度因地而异，故只能人为地规定一个统 一的环境温度，据此再规定允许的温升，以便考核。1.4在整个发热过程中，发热时间常数和综合散热系数是否改变？为什么？答一般来说 是改变的。但是在计算中，为了方便起见假定功率P为恒值， 综合散热系数也是均匀的，并且与温度无关，因此发热时间常数也 是恒定的。1.15交变电流下的电动力有何特点？交流电动力特点：1、单相：1）是脉动的单方向的电动力2）单相稳态交流电动力以两倍电流频率在零和峰值间变化。3）最大的电动力发生在最大的短路电流时刻，当W = e n/2时，电流的非周期分量最大，可能出现的总电流、电动力最大。4）单相系统最大暂态电动力是稳态时的3.24倍。交流单相短路 最大电动力极限可达稳态最大电动力的4倍。2、三相：1）三相稳态交流电动力当导体作直列布置时中间相导体受力最大，并以两倍电流频率在正、负峰值间变化，力的峰值为单相稳态最大力的0.866倍2）三相交流短路电动力同样是中间相导体受力最大，力的正、负峰值为单相稳态最大力的2.8倍。1.16三相短路时，各项导线所受电动力是否相同？A、B、C三相导体中间一相所受最大电动力为最大。力的正、负峰值为单相稳态最大力的2.8倍。2.2电接触和触头是同一概念么？答：否。赖以保证电流流通的到体检的联系称为电接触，是一种 物理现象。通过相互接触以实现导电的具体物件称为电触头（简 称触头），它是接触时接通电路、操作时因其相对运动而断开或闭 合电路的两个或两个以上的导体。2.3触头有哪几个基本参数？答：开距、超程、初压力、终压力。2.4触头大体上分为几类？对它们各有什么基本要求？答：大体上分为连接触头和换接触头。对连接触头的要求：在其所在装置的使用期限内，应能完整无损地长期通过正常工作电 流和短时通过规定的故障电流。电阻应当不大且稳定，既能耐受 周围介质的作用，又能耐受温度变化引起的形变和通过短路电流 时所产生的电动力此二者的机械作用。对换接触头的要求：电阻 小而稳定，并且耐电弧、抗熔焊和电侵蚀。2.5触头的分断过程是怎样的？答：由于超程的存在，触头开始分断时，电路并没有断开，仅仅 是动触头朝着与静触头分离的方向运动这时，超程和接触压力都逐渐减 小，接触点也减小。及至极限状态仅剩一个点接触是，接触面积减至最 小，电流密度非常巨大，故电阻和温升剧增。以致触头虽仍闭合， 但接触处的金属已处于熔融状态。此后，动触头继续运动，终 于 脱离，但动静触头间并未形成间隙，而由熔融的液态金属桥所维 系着。液态金属的电阻率远大于固体金属的，故金属桥内热量高度 集中，使其温度达到材料的沸点，并随即发生爆炸形式的金属桥 断裂过程，触头间隙也形成了。金属桥刚断裂时，间隙内充满着 空气或其他介质及金属蒸汽，他们均具有绝缘性质。于是，电流被 瞬时截断，并产生过电压，将 介质和金属蒸汽击穿，使电流以 火花放电乃至电弧的形式重新在间隙中流通。此后，随着动触头不 断离开静触头以及各种熄弧因素作用，电弧终将转化为非自持放电 并最终熄灭，使整个触头间隙称为绝缘体，触头分断结束。2.6何为电离和消电离？他们各有哪几种形式？答：电离：电子获得足以脱离原子核束缚的能量，它便逸出成为 自由电子而失去电子的原子成为正离子。电离有表面发射和空间电离两种形式。表面发射发生于金属电极表面：热发射、场致发 射、光发射、二次电子发射。空间电离发生在触头间隙：光电离、 碰撞电离、热电离。消电离：电离气体中的带电粒子自身消失或 失去电荷而转化为中性粒子的现象。消电离：复合和扩散。2.7电弧的本质是什么？电弧电压和电场是怎样分布的？答：电弧是生成于气体中的炽热电流、是高温气体中的离子化放 电通道，是充满电离过程和消电离过程的热电统一体。电弧电压： 两近极区压降基本不变。弧柱区内电场强度近乎恒值。2.8试分析直流电弧的熄灭条件。答：熄灭直流电弧，必须消除稳定燃弧点。常采用以下措施来达 到熄弧的条件1）拉长电弧或对其实行人工冷却2）增大近极区电压降3）增大弧柱电场强度E2.9试分析交流电弧的熄灭条件，并阐述介质恢复过程和电压恢复 过程。答：交流电弧的熄灭条件：在零休期间，弧隙的输入能量恒小于 输出能量，因而无热积累；在电流过零后，恢复电压又不足以将已 形成的弧隙介质击穿。介质恢复过程：近极区：1）、电弧电流过零后弧隙两端的电极立即改变极性，（新近阴极表 面，仅留下少量正离子。）2）、这样以致无法形成场致发射3）、由于电流过零，温度低亦难以产生热发射。4）、在极短的时间内形成了 150250V的介质强度。弧柱区：分为 热击穿和电击穿两个阶段。若弧隙 取自电源的能量大于其散发 出的能量，将迅速减小，剩余电流不断增大，使电弧重新 燃烧.一一热击穿当弧隙两端的电压足够高时，仍可能将弧隙内的高 温气体击穿，重新燃弧。电击穿。电压恢复过程：电弧电流过 零后，弧隙两端的电压将由零或反向的电弧电压上升到此时的电 源电压。这一电压上升的过程成为电压恢复过程，此过程中的弧隙电压称为恢复电压。2.10为什么熄灭电感性电路中的电弧要困难些？答：因熄、灭电弧的最佳时机为零休期间，而此时 电压最大，易于发生击穿， 发生电弧击穿弧隙介质。2.11何谓近阴极效应？它对熄灭哪一种电弧更有意义答：电弧电流过零后弧隙两端的电极立即改变极性。在新的近阴极 区内外，电子运动速度为正离子的成千倍，故它们于刚改变极性时 即迅速离开而移向新的阳极，使此处仅留下正离子。同时，新阴 极正是原来的阳极，附近正离子并不多，以致难以在新阴极表面产 生场致发射以提供持续的电子流。另外，新阴极在电流过零前后 的温度已降至热电离温度以下，亦难以借热发射提供持续的电子 流。因此，电流过零后只需经过 0.11，即可在近阴极区获得 150250V的介质强度。出现于近阴极区的这种现象称为近阴极效 应。对于熄灭低压交流电弧更有意义。2.12试通过电弧的电压方程分析各种灭弧装置的作用？灭弧装置（1）、灭弧装置1.简单开断；2.磁吹灭弧装置；3.纵 缝灭弧装置；4.绝缘栅片灭弧装置；5.金属栅片灭弧装6.固体 产气灭弧装置，7.石英砂灭弧装置；8.变压器油灭弧装置；（2） 助方法：1.在弧隙两瑞并联电阻；2.附加同步开断装置；3.附 加晶闸管装置。1、灭弧装置的灭弧原理主要有：（1在大气中依靠 触头分开时的机械拉长，使电弧增大（2利用流过导电回路或特制线 圈的电流在燃弧区产生磁场，使电弧迅速移动和拉长；（3依靠磁场 的作用，将电弧驱入用耐弧材料制成的狭缝中，以加强电弧的冷 却和消电离；（4用金属板将电弧分隔成许多串联的短弧；（5） 在封闭的灭弧室中，利用电弧自身能量分解固体材料， 产生气体，以提高灭弧室中的压力，或者利用产生的气体进 行吹弧；（6利用电弧自身能量，使变压器油分解成含有大 量氢气的气体并建立起很高的压力，再利用此压力推动冷 油和气体去吹弧；（7利用压缩空气吹弧；（8利用S6气体吹弧；（9） 在高真空中开断触头，利用弧隙中由电极金属蒸汽形成 的弧柱在电流过零时迅速扩散的原理进行灭弧；（10利用石英 砂等固体颗粒介质，限制电弧直径的扩展和加强冷却。2.13怎样才能实现无弧分断？答：一般有两种方法：一是在交变电流自然过零时分断电路，同 时以极快的速度使动静触头分离到足以耐受恢复电压的距离，使电 弧甚弱或无从产生；二是给触头并联晶闸管，并使之承担电路的 通断，而触头仅在稳态下工作。2.14接触电阻是怎样产生的？影响它的因素有哪些？答：两相互接触的导体间的电导是在接触压力作用下形成的，该 压力使导体彼此紧压并以一定的面积互相接触。实际接触面缩小到 局限于少量的a斑点引起了束流现象、即电流线收缩现象，束流 现象将引起称为束流电阻的电阻增量。接触面暴露在大气中会导 致表面膜层的产生，表面膜层导致的电阻增量称为膜层电阻，其随 机性非常大，难以解析计算。因此，电接触导致了电阻增量一一接 触电阻。影响因素：接触形式、接触压力、表面状况、材料性能。2.15触头的接通过程为什么通常伴随着机械振动？怎样减弱机 械振动？答：触头的碰撞、电磁机构中衔铁与铁心接触时的撞击以及短路 电流通过触头时产生的巨大电动斥力，均可引起触头振动。适当减 小动触头的质量和运动速度，增大触头初压力，对减轻振动是有 益的。2.16何为熔焊？它有几种形式？答：动静触头因被加热而熔化、以致焊在一起无法正常分开的现象 称为触头的熔焊。有静熔焊和动熔焊两种形式。2.17何为冷焊？如何防止发生冷焊？答：继电器所用贵金属触头当接触面上的氧化膜（它本来就不 易生成）被破坏、因而纯金属接触面增大时，因金属受压力作用 致使连接处的原子或分子结合在一起的现象称为冷焊。为防止发 生冷焊，一般通过实验，在触头及其镀层材料的选择方面采取适 当的措施。2.18在长期通电的运行过程中，接触电阻是否不变？为什么？答：接触电阻会发生变化。会出现软化、熔化现象，会破坏膜层， 导致接触电阻变化。2.19触头电侵蚀有几种形式？它与哪些因素有关？如何减小电 侵蚀？答：桥蚀（阳极遭受侵蚀），火花放电（阴极遭受侵蚀）和弧蚀 （阳极侵蚀）保证运行：设定能够补偿其电侵蚀的超程。2.21对触头材料有何要求？答：具有低的电阻率和电阻温度系数；具有高的最小燃弧电压和最 小燃弧电流;具有高的热导率、比热容、以及高的熔点和沸点；具有 高的抗氧化和抗化学腐蚀能力；具有适当的硬度和良好的工节性能。2.23真空开关电器使用什么触头材料？答：铜铋银合金，铜铋铈合金等。3.1电磁机构在电器中有何作用？答：电磁机构由磁系统和励磁线圈组成，广泛用于电器中作为电 器的感测元件（接受输入信号），驱动机构（实行能量转换）以及 灭弧装置的磁吹源。既可以单独成为一类电器，诸如牵引电磁铁、 制动电磁铁、起重电磁铁和电磁离合器等，也可以作为电器的 部件，如各种电磁开关电器和电磁脱扣器的感测部件、电磁操动 机构的执行部件。3.2何为磁性材料，它有何特点？答:磁性材料是具有铁磁性质的材料，它包含铁、镍、钻、钆等元素以及它们 的合金。最大的特点是具有比其他材料高数百到数万倍的磁导率， 同时其磁感应强度与磁场强度之间存在非常复杂的非线性关系。3.3磁性材料的磁化曲线有几种？它们有何区别？工程计算时应使用哪一种磁化曲线？答:有2种：起始磁化曲线、基本磁化曲线（平均磁化曲线，含直流磁化曲线和 交流磁化曲线两个亚种）。起始磁化曲线是以去磁的磁性材料磁化所 得的曲线。基本磁化曲线是由许多不饱和对称磁滞回线顶点连接 而成的。工程计算时应使用基本磁化曲线，直流磁化曲线和交流 磁化曲线分别适用于直流磁路计算和交流磁路计算